CN208478490U - 一种防爆锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种防爆锂离子电池，该锂离子电池包括外壳、电极组件、电解液、盖板组件，所述电极组件包括正极、负极、位于正极和负极之间的分隔件以及芯轴；所述芯轴插入到电极组件的中心以支撑电极组件的形状；所述芯轴为空心管，在其中设置有电磁元件、刺破元件；所述刺破元件由磁性材料制成，其设置在所述芯轴的空心管内，并与所述盖板组件相对；在电池处于异常情况下，通过电磁元件驱动所述刺破元件在空心管内相对于所述泄压板运动。充分利用现有的芯轴构建了提高锂电池安全性的防爆装置，通过传感器精确检测电池内部状态，克服了现有防爆装置检测不精确、触发不稳定的问题。

Description

一种防爆锂离子电池

技术领域

本实用新型涉及锂电池产品领域，具体涉及一种防爆锂离子电池。

背景技术

锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间的移动来工作。在充放电过程中，Li⁺在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li⁺从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。习惯上，人们把锂离子电池也称为锂电池。

由于锂电池能量密度高、使用寿命长、额定电压高、功率承受力高、自放电率低、重量轻、高低温适应性强、绿色环保等优点，锂电池作为一种新型电池，得到了广泛的应用。目前，锂离子电池以其特有的性能优势已在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍应用。

然而，现有的锂电池的安全性并不高，容易发生爆炸。现有的锂电池在长期使用或剧烈震荡过程中，锂电芯内的电解质溶液产生大量气体，这些气体使锂电芯内的气体压强抬升，当锂电芯内气体压强到达外壳承受的极限值时将会发生爆炸，危及使用者的生命安全。因此，锂电池的安全保护性能成为衡量锂电池质量的一个重要指标，自带保护装置锂离子电池也成为了未来锂电池的发展趋势。

实用新型内容

本实用新型目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种防爆锂离子电池，不仅解决了锂电池容易发生爆炸的难题，同时解决了防爆装置结构复杂、适用性不强的技术问题，大大提高了锂离子电池的安全性，维护简便、造价低廉。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种防爆锂离子电池，该锂离子电池包括外壳、电极组件、电解液、盖板组件，所述电极组件包括正极、负极、位于正极和负极之间的分隔件以及芯轴；所述芯轴插入到电极组件的中心以支撑电极组件的形状；在所述壳体的一端具有开口以容纳电极组件和电解液，所述盖板组件设置有衬垫以密封壳体；所述芯轴的一端与所述盖板组件相对，另一端与所述壳体的底部相对；盖板组件包括上盖板、泄压板、PCB板，所述PCB板上设置有控制元件、传感器，所述传感器为温度传感器、压力传感器中的一种或两种；所述芯轴为空心管，在其中设置有电磁元件、刺破元件；所述刺破元件由磁性材料制成，其设置在所述芯轴的空心管内，并与所述盖板组件相对；所述传感器、电磁元件分别与所述控制元件电连接，所述电极组件的正极、负极在壳体内电连接至所述控制元件；所述控制元件通过电磁元件驱动所述刺破元件在空心管内相对于所述泄压板运动。

其中，芯轴常以圆柱形的空心管的形状形成，电极组件的中心存在空间，芯轴设置在该空间中以维持电极组件的圆柱形形状；在不改变现有锂电池内部主要结构的基础上，将刺破元件设置在芯轴的空心管中，并在芯轴上设置可以驱动刺破元件在空心管内相对于泄压板运动的电磁元件；控制元件通过传感器检测电池内部的温度、压力，当检测到电池内部的温度、压力超过预设的阈值时，控制元件则控制电极组件的正极、负极与电磁元件导通，驱动由磁性材料制成的刺破元件在空心管内相对于泄压板运动，从而刺破泄压板，防止锂电池热失控。本实用新型充分利用现有的芯轴构建了提高锂电池安全性的防爆装置，通过传感器精确检测电池内部状态，并通过电磁元件、刺破元件主动刺破泄压板，克服了现有防爆装置检测不精确、触发不稳定的问题。

进一步的，所述电磁元件为电磁线圈，所述电磁线圈套设在所述空心管的外侧。在此种设置下，当控制元件控制电极组件的正极、负极分别与电磁线圈的引线导通时，由电磁线圈产生的磁力则驱动由磁性材料制成的刺破元件在空心管内向泄压板快速移动。

进一步的，所述电磁元件为电磁铁基座，所述电磁铁基座固定在所述空心管内。在此种设置下，刺破元件朝向泄压板设置在电磁铁基座上，电磁铁基座构成刺破元件的支撑元件，当控制元件控制电极组件的正极、负极与电磁铁基座的引线导通时，电磁铁基座产生磁性，电磁铁基座与刺破元件相接触的端部的磁性相反，从而驱动由磁性材料制成的刺破元件在空心管内向泄压板快速移动。

进一步的，所述上盖板中形成有排气孔。当泄压板被刺破元件破坏后，锂电池内部的压力经由泄压板、排气孔向锂电池外部倾泻。

进一步的，所述泄压板上设置有泄压孔，泄压孔里设置有防爆膜。防爆膜的设置可以在一定的温度及压力下破裂，及时将电池的压力排出。

进一步的，所述防爆膜由金属材料或高分子材料制成；所述金属材料为铜箔、铝箔或不锈钢箔中的一种；所述高分子材料为PP、PE、PPO、PET或PVDF中的一种；由所述金属材料制成的防爆膜的厚度为0.2-5mm；由所述高分子材料制成的防爆膜的厚度为2.9-3.9mm。

进一步的，所述防爆膜上刻有多条刻痕。刻痕的设置在防爆膜上形成应力缺陷，使防爆膜在一定的温度及压力下更容易破裂。

进一步的，所述刺破元件具有锥形或针形部件。刺破元件被用于刺破防爆膜，在刺破元件上设置锥形或针形部件，并使其朝向防爆膜，使刺破元件在电磁元件的驱动下更容易使防爆膜破裂。

进一步的，所述温度传感器的阈值温度为120℃-145℃。其中，所谓的温度传感器的阈值温度，指当锂电池内部的温度超过该阈值温度时，控制元件则控制磁性元件驱动刺破元件在空心管内向泄压板快速移动。该阈值温度低于电池正极材料的热失控温度。现有锂离子电池的正极材料的热失控温度一般为210-560℃。经试验发现，所述阈值温度为130℃-140℃时效果最佳，其在该温度范围内时，既不会提前开启，也能在电池的正极材料热失控之前保证电极组件的正极、负极与电磁铁基座的引线断开。

所述压力传感器的阈值压力为0.42-0.74Mpa。其中，所谓的压力传感器的阈值压力，指当锂电池内部的压力超过该阈值压力时，控制元件则控制磁性元件驱动刺破元件在空心管内向泄压板快速移动。作为优选的方式，所述阈值压力为0.45-0.65Mpa。

进一步的，所述电解液中含有添加剂，所述添加剂包括为了使泄压板中的防爆膜在电池异常的初期及时打开，迅速释放产生的气体，因此需要在电解液中添加适当的添加剂，在锂电池发生热失控之前就发生反应产生气体，开启防爆膜。在电解液中添加当锂电池过充到约4.55V时，发生反应，产生的H⁺在负极上被还原为H₂，增加了电池的内压，因此通过激活防爆膜提高了锂离子电池的安全性。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型提供的防爆锂离子电池，当电池内部温度异常时，，泄压板将在电池热失控之前被刺破元件主动破坏，电池内部的高温、高压物质通过泄压板排泄到电池的外部，使电池异常时能及时泄压，防止电池燃烧和爆炸的发生，避免引起次生灾害和更大的异常。

2、本实用新型充分利用现有的芯轴构建了提高锂电池安全性的防爆装置，通过传感器精确检测电池内部状态，并通过电磁线圈、刺破元件主动刺破泄压板，克服了现有防爆装置检测不精确、触发不稳定的问题。

附图说明

图1是本实用新型的锂电池的结构示意图

图2是本实用新型的具有电磁线圈的芯轴的结构示意图

图3是本实用新型的传感器、控制元件、磁性元件、电极的连接关系图

图4是本实用新型的泄压板的结构示意图

图5是本实用新型的具有电磁铁基座的芯轴的结构示意图

图中：1、壳体；2、上盖板；3、负极集流板；4、衬垫；5、PCB板；6、泄压板；6-1、泄压孔；6-2、防爆膜；7、正极集流板；8、正极；9、负极；10、分隔件；11、芯轴；12、绝缘垫板；13、正极接线端子；14、负极接线端子；15、刺破元件；16、电磁线圈；17、电磁铁基座。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例1

参见图1、2、3、4，本实施例提供一种防爆锂离子电池，该锂离子电池包括：电极组件，具有正极8、负极9和位于正负极之间的分隔件10；壳体1，在一端具有开口以容纳电极组件和电解液；盖板组件包括上盖板2、泄压板6、PCB板5；正极集流板7设置在电极组件与盖板组件2之间；负极集流板3设置在电极组件与壳体1的底部之间；绝缘垫板12设置在负极集流板3与壳体1的底部之间，正极接线端子13设置在盖板组件的外侧，负极接线端子14设置在壳体1底部的外侧。

盖板组件设置有衬垫4以密封壳体1。壳体1可以由诸如以铝、铝合金或镀镍的钢为例的导电金属形成。壳体1以具有内空间的圆柱体的形状形成，其中，电极组件位于壳体1的内空间。盖板组件与壳体1配合并通过夹持固定到壳体1。泄压板6上设置有泄压孔6-1，泄压孔里设置有防爆膜6-2；盖板组件中的上盖板2中设置有排气孔；泄压板6中的防爆膜6-2在受到壳体1内部充足的压力而破裂时，排放的气体可以通过上述排气孔排放至电池的外部。

防爆膜6-2由金属材料或高分子材料制成；所述金属材料为铜箔、铝箔或不锈钢箔中的一种；所述高分子材料为PP、PE、PPO、PET或PVDF中的一种；由所述金属材料制成的防爆膜的厚度为0.2-5mm；由所述高分子材料制成的防爆膜的厚度为2.9-3.9mm；同时在防爆膜上形成多条刻痕，刻痕的设置在防爆膜上形成应力缺陷，使防爆膜在一定的温度及压力下更容易破裂。

电极组件是圆柱形的，其中正极8、分隔件10和负极9以螺旋的形状堆叠和缠绕，但是电极组件的结构不限于此，电极组件可以具有诸如以棱柱形状等为例的其他结构。电极组件的中心存在空间，芯轴11设置在该空间中以维持电极组件的圆柱形形状。芯轴11以圆柱形的空心管的形状形成。芯轴11包括弹性构件和围绕弹性构件的聚合物构件。这里，弹性构件的长度可以与电极组件的长度基本相等。

以往芯轴的作用在于维持电极组件的形状，本实用新型则是在不改变现有锂电池内部主要结构的基础上，充分利用已有的芯轴结构，将刺破元件15设置在芯轴11的空心管中，并在芯轴11上设置可以驱动刺破元件15在空心管内相对于泄压板运动的电磁线圈16。并设置PCB板5，在所述PCB板5上设置有控制元件、传感器，所述传感器为温度传感器、压力传感器中的一种或两种。所述传感器、电磁线圈16分别与所述控制元件电连接，所述电极组件的正极、负极电连接至所述控制元件。

控制元件通过传感器检测电池内部的温度、压力，当检测到电池内部的温度、压力超过预设的阈值时，控制元件则控制电极组件的正极、负极与电磁线圈的引线导通，驱动由磁性材料制成的刺破元件15在空心管内相对于泄压板6运动，从而刺破泄压板中的防爆膜6-2，防止锂电池热失控。

刺破元件具有锥形或针形部件。刺破元件被用于刺破防爆膜，在刺破元件上设置锥形或针形部件，并使其朝向防爆膜，使刺破元件在电磁元件的驱动下更容易使防爆膜破裂。

所述温度传感器的阈值温度为120℃-145℃；其中，所谓的温度传感器的阈值温度，指当锂电池内部的温度超过该阈值温度时，控制元件则控制磁性元件驱动刺破元件在空心管内向泄压板快速移动。该阈值温度低于电池正极材料的热失控温度。现有锂离子电池的正极材料的热失控温度一般为210-560℃。经试验发现，所述阈值温度为130℃-140℃时效果最佳，其在该温度范围内时，既不会提前开启，也能在电池的正极材料热失控之前保证电极组件的正极、负极与电磁铁基座的引线断开。所述压力传感器的阈值压力为0.42-0.74Mpa；其中，所谓的压力传感器的阈值压力，指当锂电池内部的压力超过该阈值压力时，控制元件则控制磁性元件驱动刺破元件在空心管内向泄压板快速移动。作为优选的方式，所述阈值压力为0.45-0.65Mpa。

为了使泄压板中的防爆膜在电池异常的初期及时打开，迅速释放产生的气体，因此需要在电解液中添加适当的添加剂，在锂电池发生热失控之前就发生反应产生气体，开启防爆膜。在电解液中添加当锂电池过充到约4.55V时，发生反应，产生的H⁺在负极上被还原为H₂，增加了电池的内压，因此通过激活防爆膜提高了锂离子电池的安全性。

本实用新型充分利用现有的芯轴构建了提高锂电池安全性的防爆装置，通过传感器精确检测电池内部状态，并通过电磁线圈、刺破元件主动刺破泄压板，克服了现有防爆装置检测不精确、触发不稳定的问题。

实施例2

参见图1、3、4、5，该实施例提供一种防爆锂离子电池，其与实施例1中的防爆锂离子电池相比，区别仅在于磁性元件不同；本实施例中电磁元件为电磁铁基座，如图5所示，电磁铁基座17固定在芯轴的空心管内。在此种设置下，刺破元件15朝向泄压板6设置在电磁铁基座上17，电磁铁基座17构成刺破元件15的支撑元件，当控制元件控制电极组件的正极、负极与电磁铁基座17的引线导通时，电磁铁基座17产生磁性，电磁铁基座17与刺破元件15相接触的端部的磁性相反，从而驱动由磁性材料制成的刺破元件15在空心管内向泄压板快速移动。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种防爆锂离子电池，该锂离子电池包括外壳、电极组件、电解液、盖板组件，所述电极组件包括正极、负极、位于正极和负极之间的分隔件以及芯轴；所述芯轴插入到电极组件的中心以支撑电极组件的形状；在所述壳体的一端具有开口以容纳电极组件和电解液，所述盖板组件设置有衬垫以密封壳体；所述芯轴的一端与所述盖板组件相对，另一端与所述壳体的底部相对；盖板组件包括上盖板、泄压板、PCB板，所述PCB板上设置有控制元件、传感器，所述传感器为温度传感器、压力传感器中的一种或两种；所述芯轴为空心管，在其中设置有电磁元件、刺破元件；所述刺破元件由磁性材料制成，其设置在所述芯轴的空心管内，并与所述盖板组件相对；所述传感器、电磁元件分别与所述控制元件电连接，所述电极组件的正极、负极在壳体内部电连接至所述控制元件；所述控制元件通过电磁元件驱动所述刺破元件在空心管内相对于所述泄压板运动。

2.根据权利要求1所述的一种防爆锂离子电池，其特征在于：所述电磁元件为电磁线圈，所述电磁线圈套设在所述空心管的外侧。

3.根据权利要求1所述的一种防爆锂离子电池，其特征在于：所述电磁元件为电磁铁基座，所述电磁铁基座固定在所述空心管内。

4.根据权利要求2或3所述的一种防爆锂离子电池，其特征在于：所述上盖板中形成有排气孔。

5.根据权利要求2或3所述的一种防爆锂离子电池，其特征在于：所述泄压板上设置有泄压孔，泄压孔里设置有防爆膜。

6.根据权利要求5所述的一种防爆锂离子电池，其特征在于：所述防爆膜由金属材料或高分子材料制成；所述金属材料为铜箔、铝箔或不锈钢箔中的一种；所述高分子材料为PP、PE、PPO、PET或PVDF中的一种；由所述金属材料制成的防爆膜的厚度为0.2-5mm；由所述高分子材料制成的防爆膜的厚度为2.9-3.9mm。

7.根据权利要求6所述的一种防爆锂离子电池，其特征在于：所述防爆膜上刻有多条刻痕。

8.根据权利要求6所述的一种防爆锂离子电池，其特征在于：所述刺破元件具有锥形或针形部件。

9.根据权利要求2或3所述的一种防爆锂离子电池，其特征在于：所述温度传感器的阈值温度为120℃-145℃；所述压力传感器的阈值压力为0.42-0.74Mpa。